Catalase (Hebrew)

קטלאז
 קטלאז הוא אנזים המצוי כמעט בכל האורגניזמים הנחשפים לחמצן: בבעלי חיים, בצמחים, בפטריות ובמיקרואורגניזמים רבים.

באדם מצוי הקטלאז כמעט בכל תאי הגוף ואיבריו, ובכמות גדולה נמצא בכבד, בכליות ובתאי הדם. תפקידו של אנזים הקטלאז הוא לפרק מי חמצן, H2O2, למים ולחמצן. משקלו המולקולרי של החלבון השלם הוא כ- 60 קילו-דלתון.

חשיבותו של קטלאז
 בתהליך ניצול החמצן להפקת אנרגיה, תהליך הקרוי נשימה תאית, נוצרים גם שני תוצרי לוואי רעילים: מי חמצן (H202) ויון סופראוקסיד (O2-). שני חומרים אלו הם מחמצנים חזקים, ונוטים להגיב כמעט עם כל חומר אורגני ולשנות את הרכבו. לפיכך, הם מזיקים לתא ועלולים אף לגרום למותו. היצורים. האירוביים הצליחו להתגבר על בעיה זו באמצעות שלושה אנזימים המצויים בתאיהם, אשר מנטרלים את תוצרי הלוואי המזיקים : סופראוקסיד דיסמוטאז, פרוקסידאז וקטלאז  קטלאז, האנזים הפעיל ביותר בנטרול תוצרי הלוואי המחמצנים, מצוי באברון הפראוקסיזום בתאים, ושם הוא מבצע את פעולתו.

מבנה הקטלאז
 

מבנה אנזים הקטלאז ממקורות שונים נחקר באמצעות קריסטלוגרפיה. מהשוואת מבנה החלבון בין מינים שונים של יצורים    עולה דמיון רב. האזורים שמורים במרכז החלבון מעידים על רמת דמיון גבוהה סביב לאתרים הפעילים בחלבון אצל מינים רבים. ניתן להתרשם מרמת השימור על פי גווני הצבע השונים - ככל שהאזור שמור יותר, הוא צבוע בגוון סגול יותר. (להרחבה- ראה דף עבודה בנושא השוואת רצפים בתחתית הערך). תעלות מובילות אל אתרים פעילים החבויים בעומק החלבון. כל אתר פעיל מכיל קבוצת הם הנקשרת לשלוש חומצות אמיניות (מסומנות בצהוב). קבוצת ההם (מסומנת בכחול) מחוברת באמצעות קשר בין יון הברזל (מסומן באדום) ושייר סמוך של חומצת האמינו תירוסין ( מספר 358 ברצף ). קבוצת ההם היא טבעת מישורית מורכבת שבמרכזה מצוי יון ברזל אליו נקשרת מולקולת מי החמצן המהווה את הסובסטרט של האנזים. אנזים הקטלאז הוא הומוטטרמר - חלבון הבנוי מ- 4 שרשראות פוליפפטידיות זהות ( כל אחת צבועה בצבע שונה ) באורך 527 חומצות אמינו כל אחת. רצף חומצות האמינו בכל תת-יחידה של החלבון מהווה את ה מבנה הראשוני של החלבון. בין חומצות האמינו הסמוכות קיימים קשרים פפטידיים. קשרי מימן הנוצרים בין חומצות אמינו שונות לאורך המבנה הראשוני של החלבון יוצרים מבנה מרחבי המקפל את החלבון לשתי צורות עיקריות של מבנים שניוניים : סליל אלפא (בצהוב) ומשטח בטא (בירוק). בין שיירי חומצות האמינו המרוחקים זה מזה על פני הרצף הקוי נוצרים קשרים אשר גורמים להיווצרות המבנה השלישוני של החלבון. האופן בו ארבעת תת-היחידות ארוזות יחדיו קובע את המבנה הרביעוני של החלבון. כל אחד מ- 4 המונומרים של האנזים מכיל קו-פקטור: קבוצת הם. בקטלאז ממינים מסוימים, כגון בקר ואדם, מצויים, בנוסף ל- 4 קבוצות ההם (במרכז המולקולה), גם 4 קבוצות של NADPH (במעטפת המולקולה) שמשמשים להגנה על האנזים עצמו מפני הפעילות הרעילה של מי חמצן.

הפעילות הביולוגית של קטלאז


פעולתו של האנזים קטלאז (מיוצג בנוסחת התגובה כ- FeCat ) מתבצעת בשני שלבים: (הספרות רומיות שצמודות לסימון הברזל (Fe) מציינות את רמת החמצון של הברזל)

== H2O2 + Fe(III)Cat -> H2O + OFe(IV)Cat H2O2 + OFe(IV)Cat-> H2O + Fe(III)Cat + O2 == 

בשלב הראשון של התגובה מולקולת מי חמצן (מיוצגת בכתום) נקשרת לקבוצת הם ,אטום חמצן מתנתק ממי החמצן ונקשר לאנזים; מי החמצן הופכים למים. בשלב השני אטום חמצן נוסף מתנתק ממולקולה אחרת של מי חמצן, ושני אטומי החמצן חוברים ליצירת מולקולת חמצן. התוצאה הסופית היא שתי מולקולות מים ומולקולת חמצן אחת:

== H2O2 + H2O2 -> 2H2O + O2 ==  בטבע, קטלאז הוא אחד האנזימים בעלי זמן המחזור (turnover number) הגבוהים ביותר: מולקולת קטלאז אחת מסוגלת לפרק מיליוני מולקולות מי חמצן מדי שנייה. ה-pH האופטימלי לקטלאז באדם הוא 7. במינים אחרים משתנה ה-pH האופטימלי ועשוי לנוע בטווח של 4 עד 11, תלוי במין. הטמפרטורה האופטימלית שונה גם היא באורגניזמים השונים. בבני אדם הטמפרטורה האופטימלית היא 37c, שהיא טמפרטורת הגוף בקירוב. לעומת זאת, בחיידקים תרמופילים שמקורו במעיינות חמים (Pyrobaculum calidifontis ) נמצא קטלאז בעל אטום מנגן כקופקטור, במקום קבוצת הם, שהטמפרטורה האופטימלית לפעילותו היא 90c!

מחלות הקשורות להעדר קטלאז
<p dir='rtl'>

עקת חמצון, הנובעת מהעדר פעילות של קטלאז ומהצטברות של מי-חמצן בתאים, עשויה להוות גורם להתפתחות של מחלות כרוניות רבות כגון סכרת, אסטמה, אלצהיימר, דלקת פרקים, זאבת וסרטן.

מוטציה בגן לקטלאז (CAT), הנמצא בכרומוזום 11 בגנום האנושי, גורמת למחלת ה- acatalasemia שמאופיינת בהעדר קטלאז בתאי הדם האדומים ומלווה בכיבים בחלל הפה.

מחקרים אחרונים מצביעים על קשר בין ירידה בביטוי של האנזים קטלאז בתאי שורש השערה לבין חמצון טבעי בתהליך האפרה של השיער.

דף עבודה מלווה לתלמיד, דף עבודה בנושא השוואת רצפים
<p dir='rtl'> דף עבודה בנושא השואת רצפים , דף עבודה לתלמיד